非接觸位移測量和CAD矢量分析在高陡巖質(zhì)邊坡中的應(yīng)用

周波

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川成都610031)

坡表位移變化是高陡巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)前最直接的征兆之一，跟蹤坡表位移是分析邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的有效方法之一。然而高陡邊坡往往不具備常規(guī)接觸測量所需要的空間要求，從而尋求一種具備高效、準(zhǔn)確、無損傷特征的非接觸位移測量方法極為重要。

非接觸測量技術(shù)是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法?；谌緶y量的激光三角法是非接觸位移測量的典型方法［1］。

位移測量的原始數(shù)據(jù)主要是坐標(biāo)形式(絕對坐標(biāo)或相對坐標(biāo))來體現(xiàn)，利用CAD強(qiáng)大的矢量分析功能獲取目標(biāo)點(diǎn)的位移矢量特征，為邊坡穩(wěn)定性分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 非接觸位移測量技術(shù)原理

測量坐標(biāo)系由高斯平面直角坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)兩部分組成［2］，高斯平面直角坐標(biāo)系與數(shù)學(xué)坐標(biāo)系的差異主要表現(xiàn)在象限排列順序不一樣。

如圖1所示，已知兩不動(dòng)點(diǎn)A、B和可動(dòng)點(diǎn)C構(gòu)成一個(gè)空間三角形ΔABC，其中點(diǎn)A1、B1、C1為點(diǎn)A、B、C在測量坐標(biāo)系中OXY平面L上的投影，點(diǎn)A2、B2為點(diǎn)A、B在直線CC'上的投影(點(diǎn)A、B、C與OXY平面的相對位置關(guān)系有多種可能，圖1僅列舉其中一種作為示意作用)。某一時(shí)刻時(shí)，在任意測量坐標(biāo)系中該三角形ΔABC中點(diǎn)C與點(diǎn)A、B的相對位置是固定的，因此，在全站測量過程中測量坐標(biāo)系可隨意選擇(全站測量時(shí)，每次只需將全站儀整平即可，不需強(qiáng)制定向);然而點(diǎn)C可動(dòng)，則在下一時(shí)刻，三角形ΔABC中可動(dòng)點(diǎn)C與固定點(diǎn)A、B的相對位置將發(fā)生微小變化，該時(shí)刻與點(diǎn)C相對應(yīng)的為點(diǎn)C'，矢量即為所求。

假設(shè)在t0時(shí)刻，在測量坐標(biāo)系OXYZ中點(diǎn)A、B、C對應(yīng)的坐標(biāo)為(xA、yA、hA)、(xB、yB、hB)、(xC、yC、hC);在t1時(shí)刻，在測量坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中點(diǎn)A、B、C對應(yīng)的坐標(biāo)為記任意時(shí)刻，Lij(i≠j，且i=A、B、C，j=A、B、C)為點(diǎn)i、j之間的距離，ΔHij為點(diǎn)i、j之間的高差(ΔHij＞0時(shí)，點(diǎn)i比點(diǎn)j高，反之則低);則有:

需要說明的是:因點(diǎn)A、B是固定點(diǎn)，則LAB是個(gè)定值，只需求解一次，不同時(shí)刻下LAB值可相互校核，確保測量精度。

根據(jù)t時(shí)刻對應(yīng)的Lij和ΔHij便可確定空間三角形ΔABC中可動(dòng)點(diǎn)C與固定點(diǎn)A、B的相對位置。

圖1 測量坐標(biāo)系中測量三角形示意圖

2 CAD位移矢量分析技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD－Computer Aided Design)具有強(qiáng)大的三維作圖功能，在已知各點(diǎn)坐標(biāo)情況下，通過直線命令操作，將空間三角形ΔABC圖形化，使得位移測量結(jié)果及時(shí)轉(zhuǎn)化為矢量圖，更加直觀。

將測量坐標(biāo)系中的空間三角形ΔABC在CAD工作空間中實(shí)現(xiàn)圖形化的過程中約定如下:

上述說到字幕翻譯一般比較大眾化，有著文化交際的功能。那么，做字幕翻譯一般都是采用簡單易懂的文字，很少涉及到復(fù)雜難懂的表達(dá)。再者，由于電影具有瞬時(shí)性，每一句臺詞出現(xiàn)的時(shí)間實(shí)際上是很短暫的，這就要求譯者要將劇情還有角色的情緒在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出來，達(dá)到一目了然的效果。

(1)固定點(diǎn)A、B不動(dòng)(LAB為定值)，僅點(diǎn)C可動(dòng);

(2)點(diǎn)C比點(diǎn)A、B高且在矢量左上側(cè);

(3)在CAD工作空間中點(diǎn)A坐標(biāo)(0，0，0)，點(diǎn)B坐標(biāo)，亦即矢量在過點(diǎn)A的水平面上的投影為CAD工作空間坐標(biāo)系中的X軸正方向。任意ti時(shí)刻，在測量坐標(biāo)系中點(diǎn)Ai、Bi、Ci對應(yīng)的坐標(biāo)為，與之相應(yīng)的均為已知，且和可作為校核項(xiàng)，由圖1可知點(diǎn)C在CAD工作空間中的坐標(biāo)為:

值得一提的:CAD工作空間采用數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，與測量坐標(biāo)系在象限順序上有差別。

用line命令即可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻點(diǎn)C的位置(t1時(shí)刻對應(yīng)C'，t0時(shí)刻對應(yīng)C)，確定相應(yīng)的空間三角形ΔABC和ΔABC'，矢量'即為所求;用dist命令即可求得矢量在CAD工作空間中位移分量［3］。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

在建的貴州省六盤水至盤縣高速公路松河隧道(六盤水端)從一近直立的、高約50 m的中風(fēng)化的灰?guī)r巖質(zhì)邊坡坡腳進(jìn)入山體，該巖質(zhì)邊坡豎向裂隙發(fā)育，豎向裂隙中常伴有矮小灌木發(fā)育。

2010年7月7日，該隧道右線洞口正上方近直立邊坡中部出現(xiàn)僅水平狀的裂縫，可見該坡體出現(xiàn)變形，存在潛在的再次崩塌的可能，極大威脅隧道施工人員的生命安全。為及時(shí)掌握該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，7月10日起，開始開展位移測量工作。

3.2 位移測量技術(shù)要點(diǎn)

該類灰?guī)r巖質(zhì)高陡邊坡沿豎向結(jié)構(gòu)面滑塌主要發(fā)生剛性位移，通過及時(shí)跟蹤坡表指定點(diǎn)位移即可掌握其滑移狀態(tài)是可行的。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行該邊坡坡表位移測點(diǎn)布置［4］。

在離該邊坡一定距離范圍內(nèi)按照一定規(guī)則確定兩個(gè)固定點(diǎn)A0、B0作為測量基準(zhǔn)點(diǎn)，直線A0B0與該邊坡走向近平行狀態(tài)，該邊坡上布置的1#～6#點(diǎn)可分別與點(diǎn)A0、B0形成相應(yīng)的空間三角形，通過實(shí)測數(shù)據(jù)便可分析1#～6#點(diǎn)的位移情況。

3.3 位移測量成果

將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)輸入CAD分析系統(tǒng)時(shí)，按照相關(guān)約定所采用的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系定義如下:矢量在過A0的水平面上的投影分量為X軸正方向，將X軸正方向繞A0在過A0的水平面上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°即得Y軸，同時(shí)垂直于X和Y軸且過A0點(diǎn)為Z軸(正方向豎直向上)。1#～6#點(diǎn)最終位移矢量及矢量分量大小如圖2～圖7。

通過位移矢量圖和各分量大小，很直觀判斷出各測點(diǎn)的位移特征。綜合分析上述位移測量成果表明，松河隧道(六盤水端)右線洞口正上方近直立的巖質(zhì)邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

通過對松河隧道(六盤水端)右線洞口正上方近直立的巖質(zhì)邊坡位移測量工作實(shí)踐，綜合分析歸納主要有以下結(jié)論:

圖2 邊坡1#測點(diǎn)位移矢量圖

圖3 邊坡2#測點(diǎn)位移矢量圖

圖4 邊坡3#測點(diǎn)位移矢量圖

圖5 邊坡4#測點(diǎn)位移矢量圖

圖6 邊坡5#測點(diǎn)位移矢量圖

圖7 邊坡6#測點(diǎn)位移矢量圖

(1)高陡巖質(zhì)邊坡沿近豎向結(jié)構(gòu)面滑塌過程中主要以剛體位移為主，具有突發(fā)性特點(diǎn);

(2)基于全站測量的激光三角形法是一種通過相對計(jì)算來獲取目標(biāo)點(diǎn)的絕對位移，該方法實(shí)施過程中將因全站儀本身的系統(tǒng)誤差而導(dǎo)致的測試誤差降到最低程度，極大提高了測試精度;具有高效、準(zhǔn)確、無損傷特征，適合用于高陡巖質(zhì)邊坡的坡表特征點(diǎn)的位移測量;

(3)利用CAD強(qiáng)大的作圖功能，能夠迅速準(zhǔn)確的分析矢量特征;

(4)該邊坡位移較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］周劍，趙宏，田豐，等．測量剛體位移的非接觸式光電系統(tǒng)［J］．光電工程，1997(6)

［2］張坤宜．交通土木工程測量［M］．北京:人民交通出版社，2008

［3］舒飛．中文版AutoCAD2004二次開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程［M］．上?？萍计占俺霭嫔纾?004

［4］何發(fā)亮．貴州公路建設(shè)項(xiàng)目六盤水至盤縣高速公路松河隧道(六盤水端)洞口段陡崖邊坡位移監(jiān)測階段報(bào)告(第一期)［R］．成都:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，2010